background image

 

Tricarboxylic acid cycle (TCA cycle, also called the Krebs 

cycle or the citric acid cycle)  

It is the final pathway where the oxidative metabolism of carbohydrates, 
amino  acids,  and  fatty  acids  converge,  their  carbon  skeletons  being 
converted  to  CO2  and  H2O.  This  oxidation  provides  energy  for  the 
production  of  the  majority  of  ATP  in  most  animals,  including  humans. 
The cycle occurs totally in the mitochondria. 

Intermediates of the TCA cycle can also be synthesized by the catabolism 
of  some  amino  acids.  Therefore,  this  cycle  should  not  be  viewed  as  a 
closed circle, but instead as a traffic circle with compounds entering and 
leaving as required. 

Oxidative decarboxylation of pyruvate  

Pyruvate, the end-product of aerobic glycolysis, must be transported into 
the  mitochondrion  before  it  can  enter  the  TCA  cycle.  This  is 
accomplished by a specific pyruvate transporter that helps pyruvate cross 
the  inner  mitochondrial  membrane.  Once  in  the  matrix,  pyruvate  is 
converted to acetyl CoA by the pyruvate dehydrogenase complex, which 
is  a  multienzyme complex. The pyruvate dehydrogenase complex is not 
part of the TCA cycle proper, but is a major source of acetyl CoA— the 
two-carbon substrate for the cycle 

 

[Note:  The  irreversibility  of  the  reaction  precludes  the  formation  of 
pyruvate  from  acetyl  CoA,  and  explains  why  glucose  cannot be  formed 
from  acetyl  CoA  via  gluconeogenesis.].The  Pyruvate  Dehydrogenase 
Complex  Requires  Five  Coenzymes—thiamine  pyrophosphate  (TPP), 
flavin  adenine  dinucleotide  (FAD),  coenzyme  A  (CoA,  sometimes 
denoted  CoA-SH),  nicotinamide  adenine  dinucleotide  (NAD),  and 
lipoate.  Four  different  vitamins  required

 

in  human  nutrition  are  vital 

components of this system: thiamine (in TPP), riboflavin (in FAD), niacin 
(in NAD), and pantothenate (in CoA).  
 


background image

 

Clinical application:  
Pyruvate  dehydrogenase  deficiency:  A  deficiency  in  the  pyruvate 
dehydrogenase  complex  is  the  most  common  biochemical  cause  of 
congenital lactic acidosis. This enzyme deficiency results in an inability 
to  convert  pyruvate  to  acetyl  CoA,  causing  pyruvate  to  be  shunted  to 
lactic acid via lactate dehydrogenase .This causes particular problems for 
the  brain,  which  relies  on  the  TCA  cycle  for  most  of  its  energy,  and  is 
particularly sensitive to acidosis. 

 

Reactions of the citric acid cycle

.

 

 

 

 


background image

 

1.  Condensation  (Synthesis  of  citrate  from  acetyl  CoA  and 
oxaloacetate 

The  condensation  of  acetyl  CoA  and  oxaloacetate  to  form  citrate  is 
catalyzed by citrate synthase

Citrate synthase is  allosterically  activated  by  Ca

2  + 

and  ADP,  and 

inhibited by ATP, NADH, succinyl CoA, and fatty acyl CoA derivatives 

However,  the  primary  mode  of  regulation  is  also  determined  by  the 
availability of its substrates, acetyl CoA and oxaloacetate. [Note: Citrate, 
in addition to being an intermediate in the TCA cycle, provides a source 
of  acetyl  CoA  for  the  cytosolic  synthesis  of  fatty  acids.  Citrate  also 
inhibits  phosphofructokinase (PFK), the  rate-limiting  enzyme  of 
glycolysis,  and  activates  acetyl CoA carboxylase (the  rate-limiting 
enzyme of fatty acid synthesis) 

 

 

2. Isomerization of citrate 

 

Citrate is isomerized to isocitrate by aconitase   

 

3. Oxidation and decarboxylation of isocitrate  

Isocitrate dehydrogenase catalyzes  the  irreversible  oxidative 
decarboxylation  of  isocitrate,  yielding  the  first  of  three  NADH 
molecules produced by the cycle, and the first release of CO2. This is 
one  of  the  rate-limiting  steps  of  the  TCA  cycle.  The  enzyme  is 

allosterically activated by ADP (a low-energy signal) and Ca

++

, and is 

inhibited by ATP and NADH, whose levels are elevated when the cell 
has abundant energy stores.  

 


background image

 

4. Oxidative decarboxylation of α-ketoglutarate  

The conversion of α-ketoglutarate to succinyl CoA is catalyzed by the 
α-ketoglutarate dehydrogenase complex.  The  mechanism  of  this 
oxidative  decarboxylation  is  very  similar  to  that  used  for  the 
conversion  of  pyruvate  to  acetyl  CoA.  The  reaction  releases  the 
second  CO2  and  produces  the  second  NADH  of  the  cycle.  The 
coenzymes  required  are  thiamine  pyrophosphate,  lipoic  acid,  FAD, 
NAD+,  and  coenzyme  A.  a-Ketoglutarate dehydrogenase complex is 
inhibited by ATP, GTP, NADH, and succinyl CoA, and activated by 

Ca

++

.

.

 

 

5. Cleavage of succinyl CoA  

Succinate thiokinase (also called succinyl CoA synthetase) cleaves the 
high-energy thioester bond of succinyl CoA(C-SCoA). This reaction is 
coupled  to  phosphorylation  of  GDP  to  GTP.  (GTP  and  ATP  are 
energetically  interconvertible  by  the  nucleoside diphosphate kinase 
reaction)  .The  generation  of  GTP  by  succinate thiokinase is  another 
example of substrate-level phosphorylation. 

 

6. Oxidation of succinate  

Succinate is oxidized to fumarate by succinate dehydrogenase, producing 
the  reduced  coenzyme  FADH  .Succinate dehydrogenase is  inhibited  by 
oxaloacetate. 

 


background image

 

7. Hydration of fumarate  

Fumarate is hydrated to malate in a freely reversible reaction catalyzed 
by fumarase (also called fumarate hydratase).  

 

8. Oxidation of malate  

Malate  is  oxidized  to  oxaloacetate  by  malate dehydrogenase. This 
reaction produces the third and final NADH of the cycle. 

 

 
REGULATION OF THE TCA CYCLE
 

A. Regulation by activation and inhibition of enzyme activities  

TCA cycle is controlled by the regulation of several enzyme activities . 
The  most  important  of  these  regulated  enzymes  are  citrate synthase, 
isocitrate dehydrogenase, 
and ketoglutarate dehydrogenase complex. 

B. Regulation by the availability of ADP  

1.  Effects  of  elevated  ADP:  Energy  consumption  as  a  result  of 

muscular  contraction,  biosynthetic  reactions,  or  other  processes 
results in the hydrolysis of ATP to ADP and the resulting increase in 
the  concentration  of  ADP  accelerates  the  rate  of  reactions  that  use 
ADP  to  generate  ATP,  most  important  of  which  is  oxidative 
phosphorylation.  Production  of  ATP  increases  until  it  matches  the 
rate of ATP consumption by energy-requiring reactions which mean 
that ADP activate TCA cycle 

 


background image

 

2. Effects of low ADP:  

ADP (or Pi) is present in limiting concentration, the formation of ATP by 
oxidative phosphorylation decreases as a result of the lack of phosphate 
acceptor (ADP) or inorganic phosphate. 
The  rate  of  oxidative  phosphorylation  is  proportional  to 
[ADP][Pi]/[ATP];  this  is  known  as  respiratory  control  of  energy 
production. The oxidation of NADH and FADH

2

 by the electron transport 

chain  also  stops  if  ADP  is  limiting.  This  is  because  the  processes  of 
oxidation  and  phosphorylation  are  tightly  coupled  and  occur 
simultaneously  .So  as  NADH  and  FADH

2

  accumulate,  their  oxidized 

forms become depleted, causing inhibition of TCA cycle. 
 

 

AMPHIBOLIC PATHWAY 

All other pathways such as beta oxidation of fat or glycogen synthesis are 
either  catabolic  or  anabolic.  But  TCA  cycle  is  truly  amphibolic  (both 
catabolic  and  anabolic
)  in  nature.

  Citric  Acid  Cycle  components  are 

important  biosynthetic  intermediates  in  aerobic  organisms.  Besides  its 
role in the oxidative catabolism of carbohydrates, fatty acids, and amino 
acids,  the  cycle  provides  precursors  for  many  biosynthetic  pathways, 
Ketoglutarate  and  oxaloacetate  can,  for  example,  serve  as  precursors  of 
the  amino  acids  aspartate  and  glutamate  by  simple  transamination 
,through  aspartate  and  glutamate,  the  carbons  of  oxaloacetate  and 
ketoglutarate are then used to build other amino acids, as well as purine 
and  pyrimidine  nucleotides.  Oxaloacetate  is  converted  to  glucose  in 
gluconeogenesis.  SuccinylCoA  is  a  central  intermediate  in  the  synthesis 
of the porphyrin ring of heme groups, which serve as oxygen carriers (in 
hemoglobin and myoglobin) and electron carriers (in cytochromes).  

 
 
 
 
 


background image

 

 

Amphibolic pathway of the citric acid cycle

 

 
 
 

 

Influx of TCA cycle intermediates 


background image

 

 

Efflux of TCA cycle intermediates

 

Anaplerotic Reactions

  

Anaplerotic  Reactions  replenish  Citric  Acid  Cycle  Intermediates  as 
intermediates of the citric acid cycle are removed to serve as biosynthetic 
precursors;  they  are  replenished  by  anaplerotic  reactions.  Under  normal 
circumstances,  the  reactions  by  which  cycle  intermediates  are  siphoned 
off  into  other  pathways  and  those  by  which  they  are  replenished  are  in 
dynamic  balance,  so  that  the  concentrations  of  the  citric  acid  cycle 
intermediates remain almost constant. 

Anaplerotic Reactions are: 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Ahmed monther Aljial
المشاهدات: لقد قام 8 أعضاء و 138 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل